基于CAN总线的机车LCU通信系统设计.pdf

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1、2 0 0 5年 7月 第 2 9卷 第 4期 安徽大学学报(自然科学版)J o u r n a l o f A n h u i U n i v e r s i t y N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n J u l y 2 0 0 5 V0 1 2 9 No 4 基于 C A N总线的机车 L C U通信系统设计 温阳东，邹伟(合肥工业大学 电气与自动化T程学院，安徽 合肥2 3 0 0 0 9)摘要 i 电力机车逻辑控制单元(L C U)是一种用微机和 电力电子器件构成 的新型无触点控制 装置。文章简要介绍了 C A N总线通信系统在 L C

2、 U系统中的设计和应用。关键词：C A N总线；逻辑控制单元(L C U)；电力机车 中图分类号：T P 2 7 3 5 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 0 2 1 6 2 2 0 0 5)0 4 0 0 6 2 04 随着微处理器与计算机功能的不断增强和价格的急剧降低，计算机与计算机网络系统得到迅速 发展，而处于生产过程底层的测控自动化系统，采用一对一连线，用电压、电流的模拟信号进行测量控 制，或采用 自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界之问的信息交换。所以在最低层 次上确实需要一种造价底、可靠性高的适合工业现场环境使用的通讯系统，现场总线就是在这种实际 需要的驱动之下应

3、运而生的。现场总线能同时满足过程控制和制造业 自动化的需要，所以已成为工 业数据总线领域中最为活跃的一个分支。在工业控制领域中，采用现场总线可以节省硬件数量与投资，节约安装和维护费用。同时作为工 厂网络底层的现场总线，是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频等，具有较强 的抗干扰能力。C A N总线最初是由德国的B O S C H公司为汽车监测、控制系统而设计的，主要是为了解决这些控 制和测量仪器之间大量的数据交换。它是一种多主总线系统，总线上最多可连 1 1 0个节点，通信速率 最高可达 1 M b p s。C A N协议废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码

4、。采用这种 方法，可使网络内的节点个数在理论上不受限制。数据块的标志码是由l 1 位(C A N 2 0 A协议)或 2 9 位(C A N 2 0 B协议)的二进制数组成，这种数据块编码的方式和报文滤波相配合即可实现点对点、一 点对多点及全局广播等多种方式传送数据。数据段长度最多为 8个字节，可满足通常工业领域中控 制命令、工作状态、测量数据的一般要求。同时采用短帧结构，传输时问短，从而保证了通讯 的实时 性。C A N协议采用 C R C校验并提供相应的检错措施，保证了通讯的可靠性。C A N总线的这些极高 的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互联，因此，C A N总线在工业界

5、 的应用越来 越广。1 L C U简介 L C U(1 o g i c c o n t r o l u n i t)完成对机车的特性控制、逻辑控制以及故障诊断、记录、保护等功能。它 主要是利用现代电力电子和微电子技术构成的逻辑控制单元，从而取代传统的继电器逻辑控制电路，用微机发出的指令直接控制接触器等外部负载，避免目前的多级驱动，这样可以大大的简化电力机车 的有触点控制电路，减少外部连线，提高系统的可靠性；也可以简化电力机车控制系统，特别是无触点 控制电路的设计，提高系统设计制造的灵活性，缩短 电力机车设计调试的时间，实现控制系统 的通用 性。在这里 L C U与 P L C的作用相同，但是

6、P L C存在电压不匹配，直流输出负载能力较低等缺陷，所 以 P L C无法适应机车的工作环境。收稿 日期：2 0 0 5 0 3 1 1 作者简介：温阳东(1 9 5 5 )，男，安徽肥东人，合肥工业大学教授，硕士生导师 维普资讯 http:/ 第4期 温阳东，等：基于C A N总线的机车 L C U通信系统设计 L C U分为两组，每组有一块电源板和六块输入输出板组成。工作时只有电源板的一路和三块输 入输出板工作，其他为备用，通过机箱上的开关切换。电源板主要负责对其他板的供电以及通过各板 的输入量判断是否有故障产生，并负责和上位机用 4 8 5总线通信。输入输出板主要负责对机车一些 开关量

7、的输入，微机通过这些输入量进行逻辑判断，给出相应的输出量来驱动机车上 的接触器。在 L C U正常工作时有两块 P O WE R板和六块 I O板同时工作。它们之间通过 C A N总线进行通信。它的 主要任务是实现 L C U内部各个插件之间的通信，系统的结构框图如图 1 所示。L UCl L 1 C2 2 C A N总线在 L C U中的设计 图 1 L C U系统结构 2 1 C A N接口硬件设计 选用 P H L I L P S公司生产的微处理器 8 9 C 5 1和独立 C A N总线控制器 S J A 1 0 0 0进行 C A N通信。各 个插件的 C P U通过独立 C A N

8、控制器 S J A I O 0 0及 C A N收发器 8 2 12 2 5 0，连接到 C A N总线上，接 口电路 如图2所示。图 2 C AN总线接 12 1 电路 本系统为了可靠，采用双 S J A 1 0 0 0进行通信。微处理器 8 9 C 5 1负责 S J A 1 0 0 0的初始化，并通过 S J A 1 0 0 0实现数据的接 收和发送。C A N控制器 S J A I O 0 0主要用于实现 C A R 的通 信协议，它支持 C A N 2 0 A协议和 C A N 2 0 B协议，具有 B a s i c C a n以及 P e l i C a n两种工作模式。S J

9、A 1 0 0 0内部提供 了 1 2 8字节的内部 R A M，C P U通过 8位地址线即可访问 S J A 1 0 0 0的内部 RA M，其中接收缓冲区提供 6 4 字节的 F I F O，可以存储高达 2 1 个报文。同时为了增强通信错误处理能力，S J A 1 0 0 0内部还提供 了特 殊功能寄存器；仲裁丢失寄存器存有关于丢失仲裁位的位置信息，出错码寄存器存储总线上 出现错误 的类型和位置信息。C A N收发器 8 2 C 2 5 0是 C A N协议控制器和物理传输线路之间的接 口，提供了对 总线的差动接收能力和差动发送能力。为了增强系统的抗干扰性能力，在 S J A 1 0

10、0 0与 8 2 C 2 5 0之间接 维普资讯 http:/ 安徽大学学报(自然科学版)第 2 9卷 了两片光电耦合器件 6 N 1 3 7。2 2 C A N接口软件设计 C A N节点采用 P e li C a n模式，由于此方式支持 2 9位标识符的报文，有可读的错误计数器，这些都 可以满足设计要求，另外它还有自测试模式支持一个系统的自接收，方便程序的调试。通信软件由三部分组成：初始化程序、发送程序、接收程序。由于系统中任意一节点在任意时 均可主动与其他节点通信，所以，各节点的通信程序相同。2 2 1 C A N初始化程序初始化程序主要通过对 C A N控制器控制段 的寄存器写入控制字

11、从而确 定 C A N控制器的工作方式等。在复位期间，必须初始化的寄存器有 M R(C A N模式)寄存器、C D R时 分寄存器、A C R接收代码寄存器、MA R屏蔽寄存器、B T R总线定时寄存器、O C R输 出控制寄存器等。这些寄存器只有在复位期间可写访问。因此，在对这些寄存器初始化前，必须确保系统进入复位状 态。初始化程序的流程图如图 3 所示。开始 关 C A N中断源 1一 复位模式 初始化C D R寄存器：模式选择、时钟信号输出控 设置 A C R、A MR 初始化总线定时器 B T R O、B T R I 决定总线速率 设置输出寄存器 O R C 进入工作模式 是否进入 工

12、作模式、开中断 E ND 图 3 初始化流程图 2 2 2 C A N发送程序采用多主机 的对等网络，也就是在总线空闲时，每个 C A N控制器都可以开 始传送报文，具有较高优先权的报文的单元可以获得总线的访问权。为了避免优先级低的单元得不 到总线 的访问权，系统利用 8 9 C 5 1 的定时器 2 进行定时发送，使得在一定时问内，每个 C A N控制器只 能发送报文一次，这样就不会出现优先级高的单元一直占用总线。数据从 C A N控制器发送到 C A N总线由 C A N控制器 自动完成。系统采用 中断方式发送，发送程 序只有把被发送的数据帧送到 C A N的发送缓 冲区，当数据写入后，C

13、 A N控制器产生 中断，这样数据 发送完成。根据系统的实际需要，在满足要求的前提下选择了最短的报文发送方式，所以采用了标准 帧发送。值得注意的是系统采用了双 C A N发送，各板通过相对独立 的两个 C A N网络将 同一信息发 送出去，两次发送都是采用中断方式。2 2 3 C A N接收程序数据通过外部中断0接受第一次发送的数据，数据从 C A N总线到接收缓冲 区是由 C A N控制器 自动完成 的，接收程序只要从接收缓冲区读取要接收的数据 即可。数据读入之 后，通过报文的标识符判断是那个板发来 的信息，从而存入相应的数据暂存区。然后再通过外部中断 1 接收从另一个 C A N总线上第二

14、次发送 的数据，判断发送地址之后，与相应 的数据暂存区中的数据 进行比较，在保证两次接收的数据相同的情况下才存人数据接受区，这样保证了数据在传输过程中的 可靠性。发送和接收程序的流程如图4所示。维普资讯 http:/ 第 4期 温阳东，等：基于 C A N总线的机车 L C U通信系统设计 3 结语 图 4 发送接收中断流程 图 C A N总线在电力机车 L C U的通信上的应用，充分发挥了 C A N总线的抗干扰能力强、适应于环境 条件恶劣的场所等优势，大大提高了 L C U的运行可靠性，简化了控制单元之间的连接，降低了成本，有着良好的发展前景。参考文献：1 饶运涛，等 现场总线 C AN

15、原理与应用技术 M 北京：北京航空航天大学出版社，2 0 0 3 2 周立功，等 增强型 8 0 C 5 1 单片机速成与实战 M 北京：北京航空航天大学出版社，2 0 0 3 3 赵叔东，等 韶山8型电力机车 M 北京：中国铁道出版社，1 9 9 8 4 陈特放，等 逻辑控制单元在 S S 8 0 0 1 号电力机车上的应用 J 电力机车技术，1 9 9 9，(2)5 陈特放，等 电力机车逻辑控制单元的输入输出电路 J 长沙铁道学院学报，1 9 9 8，(3)A d e s i g n o f e l e c t r i c l o c o mo t i v e c o mm u n i c

16、 a t i o n s y s t e m b a s e d o n CAN b u s W EN Ya n g d o n g，ZOU W e i (S c h o o l o f E l e c t r i c E n g i n e e r i n g a n d A t u o m a t i o n，H e f e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y，H e f e i 2 3 0 0 0 9，C h i n a)A b s t r a c t：L o gi c c o n t r o l u n i t(L C U)f o

17、 r e l e c t r i c l o c o m o ti v e i s a n e w t y p e o f c o n ta c fl e s s c o n tr o l e q u i p me n t c o mb i n i n g mi c r o c o mp u t e r a n d p o we r e l e c t r o n i c d e v i c e s Th i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e d e s i g n a n d印 p l e a t i o n o f C AN b u s c o mmu n i c a ti o n s y s t e m i n l o g i c c o n t r o l u n i t K e y w o r d s：C A N b u s；l o g i c c o n t r o l u n i t(L C U)；e l e c t r i c l o c o m o ti v e (责任编校：高清维)维普资讯 http:/